A repülőgép-hajtóművek égésterének aerodinamikai teljesítményével kapcsolatos kutatás előrehaladása nagy örvényszimuláción alapul

A repülőgép-hajtóművek égésterének aerodinamikai teljesítményével kapcsolatos kutatás előrehaladása nagy örvényszimuláción alapul

Az égéstér a repülőgép-hajtóművek egyik alapvető eleme, és az égéstér aerodinamikai teljesítménye létfontosságú szerepet játszik a teljes motor teljesítményében. Az égéstérrel szemben támasztott motor egyre szigorúbb műszaki követelményeinek való megfelelés érdekében az égésszervezési mód és az égéskamrán belüli áramlási jellemzők nagyon összetettekké váltak. A diffúzor lassítási és túlnyomásos folyamata az áramlás szétválásával szembesülhet erős kedvezőtlen nyomásgradiens esetén; a légáram egy többfokozatú örvényberendezésen halad át, így egy nagyméretű örvényszerkezet alakul ki, amely egyrészt elősegíti a folyékony üzemanyag porlasztását, elpárolgását, másrészt az üzemanyaggal erősen pulzáló, ingatag keveréket képez, másrészt az aerodinamikus recirkulációs zónában álló lángot hoz létre; a fő égési/keverőnyílás többszörös fúvókái kölcsönhatásba lépnek a lángcsőben lévő oldalsó áramlással, és ezzel ellentétes forgású örvénypárt alkotnak, ami fontos hatással van a turbulens keverésre. Az áramlás alapján olyan többléptékű fizikai és kémiai folyamatok, mint a porlasztás és párolgás, keveredés, kémiai reakció, turbulencia és láng kölcsönhatása erősen összekapcsolódnak, amelyek együttesen határozzák meg az égéstér aerodinamikai jellemzőit. Ezen fizikai és kémiai folyamatok nagy pontosságú modellezése és számítása mindig is a hazai és külföldi kutatások forró témája volt.

Az égéstérben zajló porlasztási, párolgási, keverési és égési folyamatok turbulens áramlási környezetben alakulnak ki és fejlődnek, így az áramlás az égéstér aerodinamikai teljesítményének szimulációjának alapja. A turbulencia alapvető jellemzője, hogy az áramlási paraméterek véletlenszerű pulzációt mutatnak a nemlineáris konvekciós folyamat miatt. A turbulencia számos örvényszerkezetet tartalmaz. A különböző örvények fesztávja hosszúságban és időskálában hatalmas, és a Reynolds-szám növekedésével a skálák közötti távolságok meredeken nőnek. A közvetlenül megoldott turbulens örvényszerkezetek aránya szerint turbulencia szimuláció A módszerek direkt numerikus szimulációra (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), nagy örvényes szimulációra (LES) és vegyes turbulencia szimulációs módszerekre oszthatók. A mérnökökben széles körben használt RANS módszer megoldja a turbulens középmezőt, és modell segítségével szimulálja az összes turbulens pulzációs információt. A számítási összeg kicsi, de a pontosság gyenge. Erős örvénylés és bizonytalan áramlási folyamatok esetén az égéstérben a RANS nem képes megfelelni a kifinomult tervezés követelményeinek. Pitsch rámutatott, hogy a LES számítási összetettsége a RANS és a DNS között van, és jelenleg turbulens égés számításokhoz használják korlátlan terekben, közepes és alacsony Reynolds-számokkal. Az égéskamra falközeli területének kis mértékű turbulenciája és az áramlás magas Reynolds-száma miatt csak az égéstér egyetlen fejére vonatkozó LES-számításhoz szükséges rácsok mennyisége százmillió-milliárd nagyságrendű. Az ilyen magas számítási erőforrás-fogyasztás korlátozza a LES széles körű alkalmazását az égéstér-szimulációkban.

A numerikus szimuláció egyik fontos trendje a Very Large Eddy Simulation (VLES) és a Hybrid RANS-LES Method keretrendszereken alapuló, nagy pontosságú számítási modellek és módszerek létrehozása. A Han és munkatársai által kifejlesztett VLES módszer. megoldja a grid skála szűrése és a turbulencia skála illesztési korlátozások megoldása által okozott alacsony számítási hatékonyság problémáját a hagyományos LES-ben, és valósítja meg a csatolási modellezést a turbulencia többléptékű jellemzői, a tranziens evolúciós jellemzők és a rácsfelbontás között. , a VLES adaptív módon állítja be a turbulencia megoldás és a modellmodellezés közötti arányt az örvényszerkezet alakulásának valós idejű jellemzői alapján, jelentősen csökkentve a számítási költségeket, miközben biztosítja a számítási pontosságot.

Ennek ellenére a hagyományos LES-hez képest a VLES elméletét és jellemzőit nem tanulmányozták és használták széles körben. Ez a cikk szisztematikusan bemutatja a VLES modellezési elméletét és annak alkalmazási hatásait az égésterekkel kapcsolatos különféle fizikai forgatókönyvekben, elősegítve a VLES széleskörű alkalmazását a repülőgép-hajtóművek égésterének szimulációjában.

Nagy örvényes szimulációs módszer

A turbulencia-szimulációs módszerek hatását az erőforrás-felhasználás és modellek kiszámítására az 1. ábra mutatja be. A RANS, LES és VLES módszerek mind turbulencia-modellezéssel valósítják meg az áramlási szimulációt. Meg kell jegyezni, hogy a VLES legkorábbi egyértelmű meghatározását Pope adta, amely arra utal, hogy "a számítási rács skála túl durva ahhoz, hogy a közvetlenül megoldott turbulens kinetikus energia kevesebb, mint a teljes turbulens kinetikus energia 80%-a". Ugyanakkor a Pápa [6] által adott LES jelentése: "a számítási rács nagyon finom, így a közvetlenül megoldott turbulens kinetikus energia nagyobb, mint a teljes turbulens kinetikus energia 80%-a". Mindazonáltal meg kell jegyezni, hogy a jelen cikkben bemutatott VLES egy új számítási módszer, amelyet az előző módszer alapján alakítottak át és fejlesztettek ki. Bár a nevek megegyeznek, az új VLES-módszer lényegében különbözik a Pope által meghatározott VLES-módszertől. Amint az ábrán látható, a hagyományos turbulencia módok a RANS, URANS, hibrid RANS/LES, LES és DNS a számítási pontosság sorrendjében. Az új modell keretrendszerben a turbulencia módokat a számítási pontosság sorrendjében RANS-ra, VLES-re és DNS-re osztják. Vagyis a VLES módszer több hagyományos turbulencia mód egyesülését valósítja meg, és a különböző modellek adaptív módon váltanak át és konvertálnak zökkenőmentesen a helyi jellemzők szerint a tényleges számításokban.

Tipikus fizikai folyamatok szimulációja az égéstérben

Nagyon nagy örvényes szimuláció az erős örvénylő áramláshoz

A repülőgép-hajtóművek égéskamrája általában áramlási mező-szervezési formákat alkalmaz, mint például a többlépcsős örvénylés és az erős örvénylés. Az örvényáram a legalapvetőbb áramlási forma az égéstérben. Mivel az örvény domináns mind az áramlási, mind a tangenciális irányban, az örvény turbulens pulzációja erősebb anizotrópiával rendelkezik, mint a hagyományos csőáramlás, csatornaáramlás és sugáráramlás. Ezért az örvény numerikus szimulációja nagy kihívás elé állítja a turbulencia szimulációs módszert. Xia et al. a VLES módszert használta a klasszikus erős örvényáram-példa kiszámításához a csőben; Dellenback et al. [14] áramlási terepi kísérleteket végzett ezen a példán, és részletes kísérleti adatokkal rendelkezik. A kiszámított példa áramlási Reynolds-száma 1.0×105 (a kör alakú cső átmérője alapján), és az örvényszám 1.23. A számítás során két strukturált rácskészletet használunk. A ritka rácsok (M1) teljes száma körülbelül 900,000 2, a titkosított rácsok száma (M5.1) pedig körülbelül XNUMX millió. A számítással kapott statisztikai nyomatékeredményeket a továbbiakban összehasonlítjuk a kísérleti eredményekkel, hogy igazoljuk a VLES módszer számítási pontosságát.

A különböző módszerek számítási eredményeinek, valamint a kerületi átlagsebesség és a pulzáló sebesség sugárirányú eloszlásának kísérleti eredményeinek összehasonlítása erős örvénylő áramlás mellett különböző lefelé irányuló pozíciókban a 4. ábrán látható. Az ábrán a vízszintes és függőleges koordináták dimenzió nélküli távolság, illetve dimenzió nélküli sebesség, ahol D1 a bemeneti körcső átmérője, Uin pedig a bemeneti átlagos sebesség. Amint az ábrán látható, az áramlási mező egy tipikus Rankin-szerű összetett örvényt mutat, amely fokozatosan egyetlen merev test örvénylé alakul át. A számítási és kísérleti eredményeket összevetve megállapítható, hogy a VLES módszer nagy számítási pontossággal rendelkezik az erős örvénylő áramlás kerületi sebességének előrejelzésére, ami jó összhangban van a kísérleti mérések eloszlásával. A hagyományos RANS módszer nagyon nagy eltérést mutat az örvényáramlás kiszámításában, és nem tudja helyesen megjósolni az örvényáramlási mező és a turbulens pulzáció térbeli alakulását. Összehasonlításképpen, a VLES módszer nagyon nagy pontossággal rendelkezik az átlagos sebességmező, a pulzáló sebességmező és a térbeli fejlődés előrejelzésében összetett, erős örvénylő áramlás mellett, és még viszonylag ritka rácsfelbontás mellett is nagy számítási pontosságot tud garantálni. A kerületi átlagsebesség előrejelzéséhez a VLES módszer számítási eredményei alapvetően konzisztensek két ritka és sűrű rácsfelbontás esetén.

Turbulens égés nagy örvényes szimulációja

A VLES módszer turbulens égési problémák előrejelzésében való alkalmazhatóságának tanulmányozására [15-16] egy VLES módszeren alapuló turbulens égési modellt dolgoztak ki, amely a flamelet által generált elosztórendszerrel (FGM) párosul. Az alapötlet az, hogy feltételezzük, hogy a turbulens láng lokálisan egydimenziós lamináris lángszerkezettel rendelkezik, és a turbulens lángfelület a lamináris lángfelületek sorozatának együttes átlaga. Ezért a nagydimenziós komponenstér leképezhető egy kis dimenziós áramlási mintára, amely több jellemző változóból áll (keverékfrakció, reakció előrehaladási változó stb.). A részletes reakciómechanizmus figyelembe vétele mellett a megoldandó transzportegyenletek száma nagymértékben csökken, ezáltal a számítási költség is jelentősen csökken.

A konkrét megvalósítási folyamat az FGM lamináris adattáblázatának elkészítése a keverékfrakció és a reakció előrehaladási változói alapján, figyelembe véve a turbulens égés közötti kölcsönhatást a valószínűségi sűrűségfüggvény módszerének feltételezésével a lamináris adattábla integrálásához, és így megkapjuk a turbulens adattáblázatot. A numerikus számításnál a keverékfrakció, a reakció előrehaladási változóinak és a megfelelő varianciának a transzportegyenleteit oldjuk meg, és a turbulens adattábla lekérdezésével kapjuk meg az égéstér információit.

Az egyesült államokbeli Sandia laboratórium által mért metán/levegő turbulens sugárláng (Flame D) numerikus számításait a VLES-en és az FGM-en alapuló turbulens égésmodell segítségével végeztük, és a kísérleti mérési adatokkal mennyiségi összehasonlításokat végeztünk. A Sandia Flame D (Reynolds-szám 22400) tüzelőanyaga metán és levegő teljes keveréke, térfogataránya 1:3, az üzemanyag bemeneti sebessége kb. 49.9 m/s, az ébredési sebesség pedig kb. 11.4 m/s. A szolgálati láng égetett metán és levegő keveréke, a ébredő anyag pedig tiszta levegő. A számítás strukturált rácsot használ, és a rácsok teljes száma körülbelül 1.9 millió.

A különböző komponensek átlagos tömeghányadának tengely menti eloszlását az 5. ábra mutatja. Az ábrán a vízszintes és függőleges koordináták dimenzió nélküli távolság (D2 a bemeneti sugárcső átmérője), illetve dimenzió nélküli tömeghányad. Az ábrán látható, hogy az égési folyamat fő összetevőinek VLES módszerrel történő előrejelzése általában jó egyezést mutat a kísérleti eredményekkel. A hőmérséklet szórt eloszlását a keverék frakciótérben különböző downstream pozíciókban a 6. ábra mutatja. Az ábráról látható, hogy a VLES módszerrel előre jelzett szórt eloszlási trend alapvetően összhangban van a kísérleti eredményekkel, és csak a számított hőmérsékleti szélsőérték valamivel magasabb a kísérleti értéknél. A VLES által számított pillanatnyi örvényesség, hőmérséklet és felbontás szabályozási függvény eloszlását a 7. ábra mutatja, ahol a folytonos vonalat Zst=0.351-nek vesszük. Az ábrán látható, hogy a magsugár-terület erős turbulens pulzációt mutat, és ahogy az áramlási mező fejlődik lefelé, az örvényszerkezet léptéke fokozatosan növekszik. A 7. (b) és (c) ábrából látható, hogy a legtöbb kémiai reakcióterületen a felbontásvezérlő függvény 0 és 1 között van, ami azt jelzi, hogy a helyi rácsfelbontás nagy léptékű turbulenciát képes rögzíteni, és csak kis léptékű turbulenciát szimulál a modellen keresztül. Ebben az időben a VLES hozzávetőleges nagy örvény szimulációs megoldási módként viselkedik. A sugárnyíró rétegben és a lefelé irányuló láng külső szélén a felbontásvezérlő funkció közel 1, ami azt jelzi, hogy a számítási rács csonka szűrőskálája nagyobb, mint a helyi turbulencia skála. Ebben az időben a VLES ingatag Reynolds-féle átlagos megoldási módként viselkedik. Összegezve látható, hogy a VLES módszerrel több turbulencia megoldási mód transzformációja valósítható meg az örvényszerkezet evolúciójának valós idejű jellemzői szerint, és pontosan megjósolható az instabil égési folyamat turbulens lángokban.

A teljes porlasztási folyamat nagy örvényes szimulációja

A repülőgép-hajtóművek égésterében használt üzemanyag nagy része folyékony üzemanyag. A folyékony tüzelőanyag belép az égéstérbe, és elsődleges porlasztási és másodlagos porlasztási folyamatokon megy keresztül. A folyékony tüzelőanyag teljes porlasztási folyamatának szimulálása sok nehézséggel jár, ideértve a gáz-folyadék kétfázisú topológiai interfész konfigurációjának rögzítését, a folyadékoszlop deformációját és felszakadását, a folyadéksávok és folyadékszálak cseppekké való szétválását, valamint a turbulens áramlás és a cseppek közötti kölcsönhatást. Huang Ziwei [19] egy komplett porlasztási folyamat szimulációs modellt dolgozott ki a VLES módszeren, a VOFDPM hibrid porlasztás számítási módszerrel párosítva, megvalósítva a tüzelőanyag porlasztásának teljes folyamatra kiterjedő numerikus szimulációját a folyamatos folyadéktól a diszkrét cseppekig.

A klasszikus oldaláramú folyadékoszlopos porlasztási eljárás nagy pontosságú numerikus számításait egy újonnan kifejlesztett porlasztási folyamat szimulációs modellel végeztük, valamint részletes összehasonlítást végeztünk a szabad irodalomban [20] található kísérleti eredményekkel és a nagyörvényes szimulációs számítási eredményekkel [21]. A számítási példában a gázfázis 77.89, illetve 110.0 m/s sebességű levegő, a folyékony fázis pedig 8.6 m/s sebességű folyékony víz. A megfelelő Weber-számok 100, illetve 200. A másodlagos szétválási folyamat jobb szimulációja érdekében a felosztási modell a Kelvin-Helmholtz és Rayleigh-Taylor (KHRT) modellt alkalmazza.

A VLES által előre jelzett teljes porlasztási folyamat Weber 100-as feltétel mellett a 8. ábrán látható. Amint az ábrán látható, a kezdeti területen vékony folyadékoszlop lap képződik, majd a folyadékoszlop folyadéksávokra és folyadékszálakra szakad, aerodinamikai erő hatására cseppekké bomlik, majd a cseppek másodlagos felbomlása révén kisebb cseppekre bomlanak tovább. A VLES által a Weber 100-as feltétel mellett kiszámított áramlási sebesség és feszítőirányú örvényesség eloszlás a 9. ábrán látható. Amint az az ábrán látható, a folyadékoszlop hátulsó oldalán van egy tipikus kis sebességű recirkulációs zóna. A pillanatnyi örvényesség-eloszlásból megállapítható, hogy a folyadékoszlop hátulsó oldala erős örvényszerkezetet mutat, a kis sebességű recirkulációs zónában pedig az erős turbulens mozgás hozzájárul a folyadékoszlop lapjának felszakadásához, cseppek képződéséhez.

A kezdeti sugárátmérő és a folyadéksugár minimális áramlási méretének aránya, amikor a folyadékoszlop szétszakadni kezd, különböző Weber-számok alatt látható a 10. ábrán. Az ábrán di a folyadéksugár minimális áramlási mérete, amikor a folyadékoszlop felszakad, D3 pedig a folyadéksugár kezdeti átmérője. Az ábrán látható, hogy a VLES számítási eredmények jó egyezést mutatnak a kísérleti eredményekkel, amelyek jobbak, mint az irodalomban található nagyörvény szimulációs számítási eredmények [21].

Égési instabilitás Nagyon nagy örvényszimuláció

Az alacsony károsanyag-kibocsátás követelményeinek teljesítése érdekében a polgári repülőgépek égéstereit általában előkevert vagy részben előkevert sovány égetéssel tervezik. A sovány előkevert égés azonban gyenge stabilitású, és hajlamos a termoakusztikus kapcsolt oszcillációs égési módok gerjesztésére, ami az égés instabilitásához vezet. Az égés instabilitása rendkívül romboló hatású, és olyan problémákkal járhat, mint a visszacsapódás és a szilárd alakváltozás, amely az égéstér kialakításának egyik kiemelkedő problémája.

Az égési instabilitás numerikus számítása két kategóriába sorolható: szétválasztási módszer és közvetlen csatolási módszer. A szétválasztott égési instabilitás előrejelző módszere szétválasztja a bizonytalan égési és akusztikai megoldásokat. A bizonytalan égés nagyszámú numerikus számítási mintát igényel a megbízható lángleíró függvény felépítéséhez. Ha a nagy örvényes szimulációs számítási módszert alkalmazzuk, annak számítási erőforrás-felhasználása túl nagy. A direkt csatolás számítási módszere az összenyomható megoldás módszerén alapul, és nagy pontosságú instabilitás-számítással közvetlenül kapja meg az égési instabilitás eredményét, vagyis az adott munkakörülmények között az instabil égés és akusztika kapcsolási számítási folyamata egy időben, ugyanazon számítási kereten belül fejeződik be.

Huang et al. [27] kidolgozott egy égési instabilitás-számítási modellt a VLES módszeren alapuló sűrűsödő láng számítási módszerrel párosítva, és pontos előrejelzést ért el az akusztikus gerjesztés melletti instabil égési folyamatról. A számítási példa a Cambridge Egyetem által kifejlesztett tompa testű álló etilén/levegő teljesen előkevert láng, amelynek ekvivalencia aránya 0.55 és Reynolds-száma kb. 17000. A VLES számítási eredmények és az akusztikus gerjesztés melletti instabil láng dinamikus jellemzőinek kísérleti eredményeinek összehasonlítása a 12 ábrán látható. A folyamat során a láng átgördül a belső és a külső nyírórétegen, és ellentétes forgású örvénypárrá alakul. Ebben a folyamatban a gomba alakú lángprofil kialakulása a fázisszög változásával tovább fejlődik. A VLES számítási eredmények jól reprodukálják a kísérletben megfigyelt lángfejlődési jellemzőket. A különböző számítási módszerekkel és kísérleti mérésekkel kapott 160 Hz-es akusztikus gerjesztés alatti hőleadási sebesség válasz amplitúdó- és fáziskülönbségének összehasonlítása a 13. ábrán látható. Az ábrán Q' és Q͂ az égés pulzáló hőleadása, illetve átlagos hőleadása, A a szinuszos akusztikus gerjesztés amplitúdója, a 13. (b) ábra ordinátája pedig az akusztikus gerjesztésű égés tranziens hőleadási jele és a bemeneti sebesség gerjesztési jele közötti fáziskülönbség. Amint az ábrán látható, a VLES módszer előrejelzési pontossága összemérhető a nagy örvényes szimuláció pontosságával [28], és mindkettő jó egyezést mutat a kísérleti értékekkel. Bár az instabil RANS módszer előrejelzi a nemlineáris válasz trendjét, a számított kvantitatív eredmények nagymértékben eltérnek a kísérleti értékektől. A fáziskülönbség eredményeknél (13 (b) ábra) a VLES módszerrel előre jelzett fáziskülönbség trendje a zavar amplitúdójával alapvetően összhangban van a kísérleti eredményekkel, míg a nagy örvény szimuláció eredményei nem jósolják jól a fenti trendet.